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2020年3月CRISPR/Cas最新研究进展

来源:本站原创 2020-03-31 22:14

2020年3月31日讯/生物谷BIOON/---基因组编辑技术CRISPR/Cas9被《科学》杂志列为2013年年度十大科技进展之一,受到人们的高度重视。CRISPR是规律间隔性成簇短回文重复序列的简称,Cas是CRISPR相关蛋白的简称。CRISPR/Cas最初是在细菌体内发现的,是细菌用来识别和摧毁抗噬菌体和其他病原体入侵的防御系统。

图片来自Thomas Splettstoesser (Wikipedia, CC BY-SA 4.0)。 

2018年11月26日,中国科学家贺建奎声称世界上首批经过基因编辑的婴儿---一对双胞胎女性婴儿---在11月出生。他利用一种强大的基因编辑工具CRISPR-Cas9对这对双胞胎的一个基因进行修改,使得她们出生后就能够天然地抵抗HIV感染。这也是世界首例免疫艾滋病基因编辑婴儿。这条消息瞬间在国内外网站上迅速发酵,引发千层浪。有部分科学家支持贺建奎的研究,但是更多的是质疑,甚至是谴责。

即将过去的3月份,有哪些重大的CRISPR/Cas研究或发现呢?小编梳理了一下这个月生物谷报道的CRISPR/Cas研究方面的新闻,供大家阅读。

1.Science:重大进展!经过改进的CRISPR-Cas9不受PAM的限制,可靶向整个基因组中的任何位点
doi:10.1126/science.aba8853


许多基础研究人员和临床研究人员正在测试利用一种简单有效的基因编辑方法来研究和校正导致从失明到癌症等各种疾病的致病突变的潜力,但是这种技术受到一定限制,即必须在基因编辑位点附近存在某个较短的DNA序列。

如今,来自美国麻省总医院(MGH)的研究人员对这个基因编辑系统进行了改进,使得它几乎不再受到这种限制,从而有可能潜在地靶向整个人类基因组中的任何位点。相关研究结果于2020年3月26日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Unconstrained genome targeting with near-PAMless engineered CRISPR-Cas9 variants”。
图片来自CC0 Public Domain。

CRISPR/Cas9基因组编辑技术是一种免疫防御策略,被细菌用来切割入侵病毒的DNA。为了使得这种CRISPR-Cas9系统发挥作用,一种称为Cas9的细菌防御蛋白会寻找一个较短的称为间隔序列邻近基序(protospacer adjacent motif, PAM)的区域,这个区域存在于病毒DNA中,但不存在于细菌DNA中。CRISPR-Cas9已被用于编辑人类基因组,这是因为这样的PAM序列在我们的DNA中也很常见;但是,人们不能靶向不位于PAM附近的基因。为了克服这一障碍,在麻省总医院基因医学中心生物化学家Benjamin P. Kleinstiver的领导下,这些研究人员通过基因改造设计出两种不需要特定PAM就可结合和切割DNA的Cas9蛋白变体,并将它们命名为SpG和SpRY。这两种蛋白变体可允许以常规CRISPR-Cas9酶无法达到的效率编辑DNA序列。

Kleinstiver说,“鉴于这些经过改造的蛋白可以更自由地靶向DNA序列,因此它们可以靶向以前无法进入的基因组区域。通过几乎完全放松Cas9对识别PAM的要求,如今许多基因组编辑应用是可以实现的。鉴于几乎整个基因组都是可靶向的,因此最令人兴奋的意义之一是从DNA编辑的角度来看,整个基因组都是‘药物可靶向的(druggable)’。”

2.bioRxiv:华人科学家开发出AIOD-CRISPR技术,可快速超灵敏地可视化检测SARS-CoV-2和HIV
doi:10.1101/2020.03.19.998724


随着近期导致2019年冠状病毒病(COVID-19)的病原体SARS-CoV-2疫情爆发,在一项新的研究中,康涅狄格大学健康中心生物医学工程系副教授Changchun Liu及其团队开发出一种称为“All-In-One-Dual CRISPR-Cas12a(AIOD-CRISPR)”的方法,以实现对SARS-CoV-2和HIV病毒的简单、快速、超灵敏的目视检测,旨在在家中或小型诊所中使用。相关研究结果于2020年3月21日发表在预印本服务器bioRxiv上,论文标题为“All-in-One Dual CRISPR-Cas12a (AIOD-CRISPR) Assay: A Case for Rapid, Ultrasensitive and Visual Detection of Novel Coronavirus SARS-CoV-2 and HIV virus”。

聚合酶链反应(PCR)方法目前被认为是疾病诊断的“金标准”。但是,PCR方法依赖于昂贵的设备和训练有素的人员。 Liu的方法与PCR不同,是等温的(?37°C),并且与其他等温扩增技术不同的是,它具有更好的灵敏度和特异性。

在Liu的实验室中,他的AIOD-CRISPR系统成功地检测出SARS-CoV-2和HIV的DNA和RNA。此外,通过检测从人血浆样品中提取的HIV-1 RNA,对这种方法进行了评估,它获得了与PCR方法相当的结果。

3.Nat Biotechnol:中科院高彩霞团队成功开发植物基因组引导编辑技术
doi:10.1038/s41587-020-0455-x


在此之前,美国哈佛大学的David R. Liu和他的同事们开发出一种新的称为引导编辑(prime editing)的基因组编辑方法。这种方法使用工程化的Cas9切口酶(H840A)-逆转录酶(RT)融合蛋白和引导编辑向导RNA(prime editing guide RNA, pegRNA),可在人细胞中进行所需的编辑。

在一项新的研究中,中国科学院遗传与发育生物学研究所的高彩霞(Gao Caixia)教授及其研究团队对一种引导编辑系统(prime editing system, PPE)进行优化,从而在两种主要的谷类作物中产生所需的点突变、 插入和缺失。PPE系统的主要成分是Cas9切口酶-RT融合蛋白和pegRNA。相关研究 结果近期发表在Nature Biotechnology期刊上,论文标题为“Prime genome editing in rice and wheat”。
图片来源:CC0 Public Domain。

通过使用这种PPE系统,这些研究人员在原生质体中在9个水稻位点和7个小麦位点上产生了所有12种类型的单碱基替换,以及多种点突变和小DNA片段插入,效率高达19.2%。这种PPE系统的编辑效率受到引导结合位点(primer binding site, PBS)和RT模板长度的强烈影响。

尽管这种PPE系统会产生副产物(脱靶效应),但是可以通过优化RT模板长度来减少这些副产物。此外,通过使用针对植物优化的PPE系统,他们发现初始的RT可以被CaMV-RT(来自花椰菜花叶病毒)和反转录子衍生性RT(来自大肠杆菌BL21)替换。通过使用PPE-Ribozyme(PPE-R)并在37°C下孵育,针对一些靶标的引导编辑效率也可得到改善。

此外,高彩霞教授和她的合作者能够构建稳定的携带G-to-T点突变、多核苷酸替换和许多所需的6nt缺失的突变水稻植株,它们的产生效率接近22%。值得注意的是,使用当前的编辑工具很难产生这三种类型的突变。

4.Science子刊:使用CRISPR寻找肌肉营养不良的治疗方法
doi:10.1126/scitranslmed.aay0271


由波士顿儿童医院的Louis Kunkel博士和研究员Angela Lek博士领导的一项新研究表明,CRISPR-Cas9技术可以帮助研究者们更好地了解肌营养不良症(FSHD)并探索潜在的治疗方法。 FSHD会导致面部、肩胛骨和上臂肌肉无力,目前除支持治疗外没有其他治疗方法。

在FSHD中,通常主要在胎儿发育过程中活跃的DUX4基因被不适当地“打开”。这会导致有毒的DUX4蛋白在不应出现的情况下在肌肉细胞中产生,从而导致细胞死亡和肌肉无力。

Kunkel、Lek及其同事想知道是否可以靶向其他基因来预防或弥补这一问题。他们决定使用CRISPR-Cas9系统地让基因组中的每个基因发生突变。他们的目标是:找到被敲除的基因,即使DUX4蛋白存在的情况下也能使人的肌肉细胞存活。CRISPR-Cas9筛选产生了大约六个比较符合要求的“靶标”,其中有几个基因在细胞对低氧条件或缺氧的反应中起作用。事实证明,这正是DUX4导致细胞死亡的主要驱动力。当研究小组将肌肉细胞暴露于已知能抑制这种低氧反应的化合物时,这些细胞就可以存活。

更进一步,该团队从实际患有FSHD的患者中创建了肌肉细胞系。当用相同的化合物治疗时,这些细胞显示出较少的疾病已知生物标志物。最后,研究人员创建了两个FSHD的活斑马鱼模型。当他们将鱼暴露于抑制缺氧信号转导的化合物时,斑马鱼的肌肉结构和功能得到改善,游泳活动增强。

5.bioRxiv:突破!科学家用CRISPR剪切新冠病毒基因组以治疗COVID-19
doi:10.1101/2020.03.13.991307


近日来自斯坦福大学生物工程系等单位的研究人员开发了一种基于CRISPR- cas13的策略,PAC-MAN (Prophylactic Antiviral CRISPR in huMAN cells,人类细胞中的预防性抗病毒CRISPR),用于有效降解人肺上皮细胞中的SARS-CoV-2序列和活的甲型流感病毒(IAV)基因组,从而实现有效的病毒抑制。

研究人员设计并筛选了一组针对保守病毒区域的CRISPR RNA (crRNAs),并鉴定了用于剪切SARS-CoV-2基因组的功能crRNAs。研究人员发现该方法可以有效减少甲型H1N1流感病毒的呼吸道细胞病毒复制。他们还通过生物信息学分析显示,一个只有6个crRNAs的组合可以靶向90%以上的冠状病毒。

6.Nat Biotechnol:利用新型CRISPR/Cas13靶向冠状病毒SARS-CoV-2等RNA病毒
doi:10.1038/s41587-020-0456-9


基于CRISPR的遗传筛选已帮助科学家们鉴定出在镰状细胞性贫血、癌症免疫疗法、肺癌转移和许多其他疾病中起关键作用的基因。但是,这些基因筛选的范围是有限的:它们只能编辑或靶向DNA。对于人类基因组的许多区域,靶向DNA可能并不有效,而且也无法通过现有的DNA靶向性CRISPR筛选靶向诸如RNA病毒(比如冠状病毒或流感病毒)之类的其他有机体。
图片来自New York Genome Center。

如今,在一项新的研究中,来自美国纽约基因组中心和纽约大学的研究人员开发出一种新的CRISPR筛选技术,用于靶向RNA。相关研究结果近期发表在Nature Biotechnology期刊上,论文标题为“Massively parallel Cas13 screens reveal principles for guide RNA design”。论文通讯作者为Neville Sanjana博士。论文第一作者为博士后研究员Hans-Hermann Wessels和博士生Alejandro Méndez-Mancilla。

这些研究人员利用了一种最近描述过的称为Cas13的酶,该酶靶向RNA而不是DNA。通过使用Cas13,他们设计了一个优化平台,用于在人细胞中在RNA水平上大规模并行遗传筛选。这种筛选技术可用于了解RNA调节的许多方面,并确定非编码RNA的功能。

通过靶向人RNA转录本中成千上万个不同的位点,这些研究人员开发出一种基于机器学习的预测模型,以加快鉴定最有效的Cas13向导RNA(gRNA)。这种新技术可以让科学家们通过交互式网站和开源工具箱加以使用,以预测定制RNA靶标的gRNA效率,并为所有人类蛋白编码基因提供预先设计的gRNA。

7.mBio:利用噬菌体递送CRISPR-Cas3有望治疗艰难梭菌感染
doi:10.1128/mBio.00019-20


在一项新的研究中,来自美国Locus Biosciences公司和北卡罗莱纳州立大学等研究机构的研究人员发现CRISPR-Cas系统可用于有效靶向并消除特定的肠道细菌,即一种引起结肠炎的病原体:艰难梭菌(Clostridioides difficile)。相关研究结果近期发表在mBio期刊上,论文标题为“In Vivo Targeting of Clostridioides difficile Using Phage-Delivered CRISPR-Cas3 Antimicrobials”。

在这项概念验证研究中,这些研究人员测试了利用一种称为噬菌体的病毒携带可编程的CRISPR来特异性靶向和消除艰难梭菌的有效性。他们能够在实验室中和在小鼠身上进行的实验中证实这种病原体减少了。

8.Nat Cell Biol:开发出CRISPR-HOT工具对特定基因和细胞进行荧光标记
doi:10.1038/s41556-020-0472-5


在一项新的研究中,来自荷兰胡布勒支研究所等研究机构的研究人员开发出一种新的遗传工具,用于标记人类类器官中的特定基因。他们使用这种称为CRISPR-HOT的遗传工具来研究肝细胞如何分裂和具有太多DNA的异常肝细胞如何出现。通过让癌基因TP53失去功能,他们发现异常肝细胞的非结构化分裂更为频繁,这可能有助于促进癌症产生。相关研究结果近期发表在Nature Cell Biology期刊上,论文标题为“Fast and efficient generation of knock-in human organoids using homology-independent CRISPR–Cas9 precision genome editing”。
图片来自Nature Cell Biology, 2020, doi:10.1038/s41556-020-0472-5。

几年前,科学家们已发现,就像微小分子剪刀一样发挥作用的CRISPR/Cas9可以精确地切割DNA中的特定位置。这种新技术极大地帮助和简化了基因工程。论文共同第一作者、胡布勒支研究所的Delilah Hendriks说,“DNA中的较小切口可以激活细胞中的两种不同的修复机制,这两种机制可被人们用来迫使细胞在切口部位摄取新的DNA片段。”其中的一种修复机制称为非同源末端连接(non-homologous end joining),被认为经常犯错,因此直到现在仍不常用来插入新的DNA片段。论文共同第一作者、胡布勒支研究所的Benedetta Artegiani说,“鉴于早期的一些小鼠研究已表明可以通过非同源末端连接插入新的DNA片段,因此我们着手在人类类器官中测试这一点。”Artegiani和Hendriks随后发现通过非同源末端连接将任何DNA片段插入人类类器官,实际上比迄今为止使用的另一种称为同源介导修复(HDR)的修复机制更有效,更稳健。他们将这种新方法命名为CRISPR-HOT。

这些研究人员随后使用CRISPR-HOT将荧光标记插入人类类器官的DNA中,从而使得这些荧光标记附着在他们想要研究的特定基因上。首先,他们标记了肠道中非常罕见的特定类型的细胞:肠内分泌细胞(enteroendocrine cell)。这些细胞产生激素来调节血糖水平、食物摄取和胃排空等功能。鉴于这些细胞非常稀有,因此很难研究它们。然而,通过使用CRISPR-HOT,他们可以轻松地将这些细胞“涂成”不同的颜色,然后轻松地对其进行识别和分析。其次,他们给源自肝脏中特定细胞类型---胆管细胞---的类器官涂上不同的颜色。他们使用CRISPR-HOT可视化观察了角蛋白(keratin),即参与细胞骨架的蛋白。鉴于他们可以以高分辨率查看这些角蛋白的详细信息,他们以超结构化的方式发现了它们的组装。当细胞发生特化或分化时,这些角蛋白也会改变表达。因此,他们预计,CRISPR-HOT可能能够用于研究细胞命运和分化。

9.Nat Chem Biol:科学家开发出新型Cas9突变体 有望未来让基因编辑变得更加精准
doi:10.1038/s41589-020-0490-4


“基因魔剪”CRISPR-Cas9引起能在特殊靶向位点切割DNA而彻底改变了遗传学领域的研究,如今研究人员能利用Cas9酶来专门关闭基因的表达,或将新型DNA片段插入到基因组中,但不论Cas9有多么专一特殊,其都会切开一些不该切开的位点;近日,一项刊登在国际杂志Nature Chemical Biology上的研究报告中,来自德国马丁路德大学的科学家们通过研究报道了一种新型的Cas9突变体,其或能增加基因编辑的特异性。

如今科学家们尝试利用不同的方法来优化Cas9的特异性,当前研究中,研究人员就对Cas9中名为螺旋桥(bridge helix)的进化保守结构域进行了深入研究。研究者发现,这种螺旋桥在Cas9与其导向RNA和DNA靶点相互作用上的机制上扮演着关键角色,随后他们识别出了一组氨基酸残基,其能与导向RNA的磷酸骨架接触,从而促进稳定回路结构的形成,后者对于Cas9的活性非常重要,在这种回路结构中,Cas9结合导向RNA就能与DNA靶向序列的互补链进行配对,同时还会替换第二股DNA链,从而使得Cas9就能切割两条DNA链。

研究者通过改变这些氨基酸残基就能产生新的Cas9突变体,他们发现,相比原始的Cas9酶而言,多个突变体切割脱靶位点的频率明显变低了,后期深入研究后研究者发现,其中一种名为R63A/Q768A的突变体还能够增加人类细胞中Cas9基因编辑的特异性;本文研究结果或为后期科学家们有效优化CRISPR-Cas9奠定了基础,目前研究人员还需要后期进行更为深入的研究来解析CRISPR-Cas系统的生化特性从而有效改善其编辑准确性。

10.Nat Biotechnol:将CRISPR/Cas9与纳米孔测序相结合实现靶向测序
doi:10.1038/s41587-020-0407-5


为了寻找对人类基因组进行测序并读取DNA关键变化的新方法,来自美国约翰霍普金斯大学医学院的研究人员在一项新的研究中成功地使用了基因切割工具CRISPR/Cas9在较长的肿瘤基因周围进行了DNA切割,以用于收集序列信息。他们在来自人类乳腺癌细胞和组织的基因组中进行概念验证实验。相关研究结果近期发表在Nature Biotechnology期刊上,论文标题为“Targeted nanopore sequencing with Cas9-guided adapter ligation”。

在实验中,Timp和博士生Timothy Gilpatrick能够利用CRISPR对从乳腺癌患者的一小部分肿瘤组织中分离出来的DNA进行靶向切割,从而能够跳过常规测序的DNA复制部分。随后,他们将所谓的“测序接头(sequencing adaptor)”附着到DNA片段的CRISPR切割末端上。这些测序接头充当把手的作用,将DNA引导到读取其碱基序列的“纳米孔(nanopore)”中。通过让DNA穿过这个狭窄的纳米孔,测序仪可以根据每个化学代码(即碱基)滑过该孔时产生的独特电流来产生DNA碱基的读数。

这些研究人员表示,将CRISPR与对人类癌症组织的DNA成分进行测序的工具相结合有朝一日可能能够实现对患者肿瘤的快速、相对便宜的测序,从而简化针对高度特异性的个人基因改变的治疗方法的选择和使用。

11.bioRxiv:科学家基于CRISPR-Cas12技术开发出了一种超灵敏、快速便携式的新型冠状病毒检测技术
doi:10.1101/2020.02.29.971127


近日,一篇发表在预印版平台bioRxiv上题为“An ultrasensitive, rapid, and portable coronavirus SARS-CoV-2 sequence detection method based on CRISPR-Cas12”的研究报告中,来自布宜诺斯艾利斯大学等机构的科学家们通过研究基于CRISPR-Cas12技术开发了一种超灵敏、快速、便携式的新型冠状病毒(SARS-CoV-2)检测技术。

CRISPR是一种以在基因编辑领域的应用而出名的生物技术,值得注意的是,近来研究人员已经开始使用CRISPR来进行核酸的体外检测,因此其就有望被开发成为一种强大精确的分子诊断工具;在CRISPR-Cas效应子家族中,Cas12是一种RNA导向的DNase,其属于II类V-A系统,该系统能在识别靶点后诱导任意单链DNA(ssDNA)的分裂,这就会导致ssDNA报道子的降解,并在分裂位点释放荧光信号,这就能通过一种便携式的方法进行检测。

这项研究中,研究人员报告了一种基于CRISPR-Cas12的新型诊断工具,其能在原理论证的评估中对合成性的SARS-CoV-2的RNA序列进行检测,研究结果表明,该工具是一种超灵敏、快速且极具潜力的检测手段,对于有效实现目前资源相对缺乏的地区进行SARS-CoV-2的检测至关重要。后期研究人员还会继续深入研究来进一步优化该设备使其更加高效地对SARS-CoV-2进行检测。

12.Nature怒赞:里程碑!首次用CRISPR在人体内治疗疾病!
doi:10.1038/d41586-020-00655-8


一名遗传导致失明的患者成为了第一个直接接受CRISPR-Cas9基因治疗的患者。这项治疗是一项具有里程碑意义的临床试验的一部分,目的是测试CRISPR-Cas9基因编辑技术去除突变的能力,这种突变会导致一种罕见的情况,即莱伯氏先天性黑蒙症(LCA10)。这种疾病是导致儿童失明的主要原因,目前尚无治疗方法。

在最新的试验中,基因编辑系统的组成部分--编码在一种病毒的基因组中--被直接注射到眼睛里,接近光感受器细胞。相比之下,以前的CRISPR-Cas9临床试验已经使用这种技术来编辑从体内移除的细胞的基因组,然后再把这些细胞输回病人体内。

"这是一个激动人心的时刻,"波特兰俄勒冈健康与科学大学(Oregon Health & Science University)的遗传视网膜疾病专家Mark Pennesi说。Pennesi正与马萨诸塞州剑桥的Editas Medicine制药公司和都柏林的Allergan制药公司合作,进行这项被称为"BRILLIANCE"的试验。

13.Nature热评:CRISPR正推动CAR-T细胞快速前进
doi:10.1038/d42473-019-00443-7


在过去的十年里,一种新的免疫治疗工具进入了临床。被设计成表达嵌合抗原受体的T细胞,即CAR-T细胞,已经被证明可以帮助血癌患者。2011年的一项关键研究使用第二代CAR-T细胞来实现大多数测试患者T细胞的持续激活和缓解。一年后出现了另一个重大突破,两个小组描述了一种名为CRISPR-Cas9的新型基因编辑工具,并演示了它在真核细胞中的应用。这两份报告帮助开启了基因编辑的新时代。尽管基因编辑有可能改善细胞工程,但CAR-T细胞和CRISPR的交叉还需要几年时间。

从一开始,CRISPR就像是制造T细胞的理想方法。这是一个简单的过程,具有最小的脱靶效应,适用于多种细胞类型。但CRISPR在一个领域遇到了困难。CRISPR-Cas9通过产生靶向双链DNA (dsDNA)断裂,然后通过细胞的非同源末端连接途径修复,从而有效地产生小的突变。然而,当使用同源导向的修复机制插入外源DNA时,CRISPR编辑的效率可能低得可怜。然而,插入DNA对于制造CAR-T细胞至关重要。

去年,Alexander Marson、Gurumurthy和他的同事们利用Easi-CRISPR对人类T细胞的结构和功能进行了重新编程,且不需要病毒载体。本研究表明,将ssDNA作为同源性导向的修复模板对T细胞进行CRISPR编辑,与dsDNA模板相比,能够更准确、更有效地进行大规模的基因插入,并且脱靶整合概率更低。

虽然有希望,但还有一个重要的考虑:长ssDNA序列很难在实验室中产生,尤其是在基因编辑实验中需要高浓度的长ssDNA。一些公司和研究开发人员正试图解决这个问题,他们正在研究有效生成大量长ssDNA的方法。总部位于新泽西州皮斯卡塔韦(Piscataway)的全球生物技术公司GenScript以其领先的DNA合成技术而闻名。该公司最近开始提供数千个核苷酸长度的ssDNA,数量可达100微克--这是使用CRISPR进行T细胞重编程的理想选择。GenScript也是为数不多的提供完整的CRISPR解决方案的公司之一,包括HPLC纯化的、化学合成的sgRNAs,并通过末端修饰来增强CRISPR编辑。

基因编辑正在改变研究人员研究细胞工程的方式。像Easi-CRISPR这样的方法,连同DNA和RNA合成的改进,将进一步加强CAR-T细胞工程的努力,最终改善癌症治疗和人类健康。(生物谷 miaobaku.com)

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